孫 健

(上海見智規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200433)

0 引言

裂縫問題是混凝土工程中帶有一定普遍性的問題，混凝土結(jié)構(gòu)從澆筑后開始，時(shí)刻存在著開裂的傾向。這是由于混凝土自身的特性(如勻質(zhì)性較差、抗拉強(qiáng)度較低)及一些人為因素(如設(shè)計(jì)不周、施工粗糙)造成的。裂縫的出現(xiàn)，不僅影響美觀，還將對(duì)結(jié)構(gòu)防水性、抗凍性、抗鋼筋銹蝕性及抗化學(xué)侵蝕性等耐久性能產(chǎn)生嚴(yán)重危害，影響建筑物的正常使用，有些裂縫則危及結(jié)構(gòu)的安全，甚至造成建筑物的嚴(yán)重破壞和倒塌［1-3］。因此，如何正確“診斷”混凝土裂縫形成的原因并提出切實(shí)有效的“防治”方法，防止和減輕混凝土裂縫對(duì)建筑物的損害，是混凝土工程中需要解決的問題。

鑒于以上原因，本文從設(shè)計(jì)及施工等角度，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)裂縫(本文主要探討“宏觀裂縫”，即寬度不小于0.05 mm的裂縫)成因進(jìn)行了分析，重點(diǎn)討論了溫度裂縫、收縮裂縫和應(yīng)力集中裂縫產(chǎn)生的機(jī)理和控制措施，并通過分析工程實(shí)例總結(jié)了施工經(jīng)驗(yàn)，為實(shí)際工程中混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的診斷及控制提供了參考。

1 混凝土裂縫成因與防控

混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫的原因很多，主要有以下四類［4］:

1)荷載作用引起的裂縫，是指由恒載、活載、風(fēng)載、雪載、吊車荷載等一種或幾種荷載作用引起的裂縫，包括由彎矩、軸心拉力、偏心拉(壓)力引起的正截面裂縫和由剪力、扭矩引起的斜裂縫;

2)約束變形引起的裂縫，包括溫度變化，混凝土收縮，基礎(chǔ)不均勻沉降，混凝土塑性塌落，鋼筋銹蝕，冰凍以及堿骨料化學(xué)反應(yīng)引起的裂縫;

3)設(shè)計(jì)因素引起的裂縫，主要是指在設(shè)計(jì)過程中，由工程師對(duì)結(jié)構(gòu)變形裂縫考慮不周，變形縫設(shè)置不當(dāng)，忽略構(gòu)造鋼筋的重要性和結(jié)構(gòu)的約束性質(zhì)等原因引起的裂縫;

4)施工因素引起的裂縫，主要是指在施工過程中，由施工材料不合格、施工方法不恰當(dāng)、技術(shù)措施不到位等原因引起的結(jié)構(gòu)裂縫。

從實(shí)際工程的情況來看，混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫主要由前兩種原因引起。據(jù)統(tǒng)計(jì)，約束變形引起的裂縫約占混凝土裂縫的80%，荷載作用引起的裂縫約占20%。本文著重對(duì)溫度裂縫、收縮裂縫(又分為塑性收縮裂縫和干縮裂縫)和應(yīng)力集中裂縫的產(chǎn)生機(jī)理及控制措施進(jìn)行探討［5，6］。

1.1 溫度裂縫

混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件隨著溫度的變化會(huì)產(chǎn)生變形，即熱脹冷縮。當(dāng)這種變形受到外界約束條件的限制不能自由發(fā)生時(shí)，就可能產(chǎn)生裂縫?；炷猎谟不^程中，產(chǎn)生大量的水化熱，內(nèi)部溫度上升高散熱慢，外部散熱快，這種溫差將導(dǎo)致混凝土外部受拉，內(nèi)部受壓，有可能引發(fā)從混凝土表面向內(nèi)擴(kuò)展的裂縫。這種裂縫一般為非貫通性裂縫，危害不大。后期降溫冷卻時(shí)，如果外部約束或內(nèi)外降溫不均勻，內(nèi)部就會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生裂縫。此種裂縫可發(fā)展成為貫通性裂縫，危害很大。此外，構(gòu)件在使用中如果內(nèi)外溫差較大，構(gòu)件內(nèi)的溫度梯度就較大，也可能引起裂縫。

因此可采取構(gòu)造措施降低約束，如設(shè)置各種連接縫(伸縮縫，控制縫，后澆帶，施工縫)以及在約束界面上設(shè)置滑動(dòng)層、緩沖層等。同時(shí)，還須進(jìn)行合理的溫度控制，使因溫差而產(chǎn)生的拉應(yīng)力小于同期混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

1.2 塑性收縮裂縫

混凝土塑性收縮裂縫指混凝土在澆筑后呈塑性狀態(tài)時(shí)因收縮所引發(fā)的裂縫。塑性收縮裂縫多發(fā)生于地板、樓板、橋板等的裸露面上。當(dāng)氣溫較高、相對(duì)濕度較低或有強(qiáng)風(fēng)吹時(shí)其固體質(zhì)點(diǎn)間的毛細(xì)水蒸發(fā)減少很快，就會(huì)形成彎壓面產(chǎn)生較大的拉力，使處于可塑狀態(tài)的混凝土收縮。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，通常當(dāng)混凝土拌合物表面水分蒸發(fā)率超過0.5 kg/(m2·h)時(shí)，混凝土將產(chǎn)生急劇收縮，特別是大流動(dòng)性混凝土，其塑性收縮應(yīng)變值為200×10－4;中等流動(dòng)性混凝土，其塑性收縮應(yīng)變值為(60～100)×10－4。此外對(duì)于結(jié)構(gòu)表面系數(shù)大且水灰比也比較大的薄壁構(gòu)件，施工時(shí)未及時(shí)覆蓋導(dǎo)致混凝土表層失水過快、混凝土初凝前又未做收水及二次拉毛壓平措施時(shí)，也易產(chǎn)生塑性收縮裂縫。塑性收縮裂縫寬度一般在0.5 mm ～2.0 mm。

1.3 干縮裂縫

混凝土的干縮是由混凝土中水分的散失或濕度降低所引起的。混凝土中毛細(xì)管孔隙，在混凝土干燥過程中逐漸失水，毛細(xì)管也逐漸變形產(chǎn)生毛細(xì)壓力，導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生體積收縮。當(dāng)混凝土四周有約束存在時(shí)，混凝土內(nèi)部將產(chǎn)生拉應(yīng)力和拉應(yīng)變，當(dāng)其拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度極限值或拉應(yīng)變超過混凝土極限變形值時(shí)，混凝土就會(huì)產(chǎn)生干縮裂縫。

混凝土干縮裂縫，一般有兩種形狀:一種為不規(guī)則龜紋狀或放射狀裂縫;另一種為每隔一段距離出現(xiàn)一條裂縫。有時(shí)兩種裂縫同時(shí)在混凝土構(gòu)件上出現(xiàn)。裂縫形狀主要與約束條件、配筋形式有關(guān)。對(duì)于表面積較大的板類鋼筋混凝土構(gòu)件，多為上口大、下口小的楔形裂縫，其中對(duì)于厚度較薄的板(如厚度120 mm以下的板)，特別是采用泵送混凝土的，裂縫可能貫穿板厚。對(duì)于鋼筋混凝土梁式構(gòu)件，多為兩頭小中間大的棗核形裂縫，其中在梁兩側(cè)面裂縫較重，梁底面和頂面裂縫較輕;裂縫高度多在梁高2/3以上，但裂縫深度較淺，輕者深度為混凝土保護(hù)層厚度，重者深度達(dá)30mm～100mm;裂縫寬度一般在0.1mm～0.5mm之間，嚴(yán)重者可達(dá)0.5 mm ～1.5 mm。

1.4 應(yīng)力集中裂縫

混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中裂縫多在主體結(jié)構(gòu)建成后出現(xiàn)，主要分布在門窗洞口、平面或立面突出凹進(jìn)以及結(jié)構(gòu)洞口和結(jié)構(gòu)剛度突變及集中荷載處。對(duì)于預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，一般在張拉鋼筋錨固端產(chǎn)生局部壓應(yīng)力集中處產(chǎn)生裂縫。因此，在這些位置應(yīng)設(shè)置附加筋，以利于分散應(yīng)力集中。

在門窗洞口的角部和平立面突出凹進(jìn)的轉(zhuǎn)角處，斜向楔形狀裂縫居多。在結(jié)構(gòu)洞口和結(jié)構(gòu)剛度突變及集中荷載較大部位，易產(chǎn)生劈裂狀的裂縫。在預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)錨固端的局部承壓處，有時(shí)出現(xiàn)一條或數(shù)條裂縫，并呈放射狀。對(duì)于暴露在大氣中的混凝土結(jié)構(gòu)，應(yīng)力集中裂縫出現(xiàn)后，有時(shí)還會(huì)隨著大氣溫度的變化而變化。

2 工程實(shí)例分析

在三線鋼芯鍍鎳廠房工程，三層樓板的做法為:12 cm厚鋼筋混凝土承重樓板上貼一層TBL——無胎基自粘性橡膠瀝青防水卷材，再做一層4 cm～6 cm厚C20細(xì)石混凝土面層內(nèi)配φ6@200雙向鋼筋，為了防腐、防滲漏，面層上再做一層7.5 mm厚自流平環(huán)氧工業(yè)地坪涂料。但是在做自流平工業(yè)地坪涂料前，4 cm～6 cm厚細(xì)石混凝土面層出現(xiàn)了裂縫，裂縫寬度為 0.5 mm ～1.0 mm，詳見圖1。可見，這些裂縫是每隔一段距離就出現(xiàn)一條，無規(guī)律性，在設(shè)置伸縮縫的位置未出現(xiàn)裂縫。

圖1 三線鋼芯鍍鎳廠房三層樓板裂縫圖

經(jīng)過分析認(rèn)為，4 cm～6 cm厚的鋼筋細(xì)石混凝土面層出現(xiàn)裂縫的原因有兩個(gè):

1)從商品混凝土運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)至澆搗細(xì)石混凝土面層完成，時(shí)間較長(zhǎng)(約2 h)，天氣炎熱，水分蒸發(fā)量大，混凝土面層容易產(chǎn)生塑性收縮裂縫;

2)鋼筋細(xì)石混凝土面層澆搗完成后，保濕保養(yǎng)沒有做到位，細(xì)石混凝土面層因失水干燥，在硬化過程中引起體積收縮變形，這種體積變形受到約束時(shí)，又沒有及時(shí)做伸縮縫，細(xì)石混凝土內(nèi)的應(yīng)力得不到釋放，就容易產(chǎn)生干縮裂縫。

由于這些細(xì)石混凝土面層上的裂縫很不美觀，又有滲漏的可能，對(duì)它們進(jìn)行了修補(bǔ)，方法如下:用切割機(jī)沿縫開鑿成“倒八形”，深1 cm;在開鑿的交叉縫內(nèi)，刷滲透型水性環(huán)氧封閉底涂，以封閉混凝土毛細(xì)孔及細(xì)小裂縫;待12 h固化后，在交叉縫內(nèi)填環(huán)氧彈性粒子，起到良好的修補(bǔ)粘連作用;待12 h固化后，用環(huán)氧稀膠泥整體批刮一道，以起到良好的封閉和固化作用，保證防滲效果。采取修補(bǔ)措施后，使用至今修補(bǔ)的裂縫處完好無損，說明修補(bǔ)是成功的。

對(duì)這種裂縫可采取以下防控措施:

1)較薄的鋼筋混凝土面層應(yīng)分段施工，要控制每段的工作量，確保商品混凝土到現(xiàn)場(chǎng)至混凝土面層完成時(shí)間，特別是高溫季節(jié)，最好控制在1 h左右，防止混凝土塑性收縮裂縫產(chǎn)生;

2)混凝土面層完成后，保濕養(yǎng)護(hù)措施要到位、在混凝土終凝后用蓄水養(yǎng)護(hù)是一種經(jīng)濟(jì)、可靠的保濕保溫養(yǎng)護(hù)方法，并及時(shí)做好伸縮縫，防止混凝土干縮裂縫產(chǎn)生。

3 結(jié)語

本文對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的成因進(jìn)行了分析，重點(diǎn)討論了溫度裂縫、收縮裂縫和應(yīng)力集中裂縫產(chǎn)生的機(jī)理及防控，并根據(jù)工程實(shí)例對(duì)防控及治理措施進(jìn)行了總結(jié)。希望此文能為實(shí)際工程中混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的診斷及控制提供參考。

［1］ 王鐵夢(mèng).建筑物的裂縫控制［M］.上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1987.

［2］ 何星華，高小望.建筑工程裂縫防治指南［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005.

［3］ 徐榮年，徐欣磊.工程結(jié)構(gòu)裂縫控制——“王鐵夢(mèng)法”用實(shí)例集［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005.

［4］ 王鐵夢(mèng).工程結(jié)構(gòu)裂縫［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2003.

［5］ 富文權(quán)，韓素芳.混凝土工程裂縫分析與控制［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2002.

［6］ 趙國(guó)藩.鋼筋混凝土裂縫控制［M］.北京:海洋出版社，1994.